medicion de las caracteristicas del igbt final
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Universidad Politcnica Salesiana, Electrnica de Potencia II, Medicin de las caractersticas del IGBT
Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador
Abstract The IGBT is suitable for speeds up to 100 kHz switching and replaced the BJT in many applications. It is used in
applications such as high and medium power switching power
supply, traction control and engine induction cooker. Large IGBT
modules consist of many devices placed in parallel that can handle
high currents on the order of hundreds of amperes with blocking
voltages of 6,000 volts.
It is conceivable the Darlington transistor IGBT as a hybrid. It is
the current handling capacity of a bipolar but requires the base
current to maintain conduction. However switching transients base
can be equally high. In power electronics applications it is
intermediate between the thyristors and mosfet. It handles more
power than the latter being slower than them and reverse compared
to the first.
Equivalentede an IGBT circuit.
This is a device for switching in high voltage systems. The gate
drive voltage is about 15 V. This provides the advantage of
controlling power systems by applying a weak electrical signal at the
gate input.
The insulated gate bipolar transistor (IGBT, English Insulated
Gate Bipolar Transistor) is a semiconductor device that is generally
applied as controlled power electronics circuit breaker. This device
has the characteristics of the gate signals of field effect transistors
with high current capacity and low saturation voltage of the bipolar
transistor, an insulated gate FET combining for the control input
and a bipolar transistor as a switch in one device. The IGBT drive
circuit is as the MOSFET, while the driving characteristics are as
BJT.
Electrical Engineering Faculty
Universidad Politcnica Salesiana
Quito-Ecuador
Pablo Achig Santamaria Andres Artieda Cadena Electrical Engineering Student Electrical Engineering Student
Universidad Politcnica Salesiana Universidad Politcnica Salesiana
Quito-Ecuador Quito-Ecuador
[email protected] [email protected]
Jhonny Correa Lopez Ermel Santacruz Carcelen Electrical Engineering Student Electrical Engineering Student
Universidad Politcnica Salesiana Universidad Politcnica Salesiana
Quito-Ecuador Quito-Ecuador
[email protected] [email protected]
Veronica Vergara Naranjo Electrical Engineering Student
Universidad Politcnica Salesiana
Quito-Ecuador
Medicin de las caractersticas del IGBT
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Universidad Politcnica Salesiana, Electrnica de Potencia II, Medicin de las caractersticas del IGBT
Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador
I. INTRODUCCION
L TRANSISTOR BIPOLAR DE PUERTA AISLADA (IGBT,
DEL INGLS INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)
ES UN DISPOSITIVO SEMICONDUCTOR QUE
GENERALMENTE SE APLICA COMO INTERRUPTOR
CONTROLADO EN CIRCUITOS DE ELECTRNICA DE
POTENCIA. ESTE DISPOSITIVO POSEE LA
CARACTERSTICAS DE LAS SEALES DE PUERTA DE
LOSTRANSISTORES DE EFECTO CAMPO CON LA
CAPACIDAD DE ALTA CORRIENTE Y BAJO VOLTAJE DE
SATURACIN DEL TRANSISTOR BIPOLAR, COMBINANDO
UNA PUERTA AISLADAFET PARA LA ENTRADA DE
CONTROL Y UN TRANSISTOR BIPOLAR COMO
INTERRUPTOR EN UN SOLO DISPOSITIVO.
EL CIRCUITO DE EXCITACIN DEL IGBT ES COMO EL DEL
MOSFET, MIENTRAS QUE LAS CARACTERSTICAS DE
CONDUCCIN SON COMO LAS DEL BJT.
LOS TRANSISTORES IGBT HAN PERMITIDO DESARROLLOS
QUE NO HABAN SIDO VIABLES HASTA ENTONCES, EN
PARTICULAR EN LOS VARIADORES DE FRECUENCIA AS
COMO EN LAS APLICACIONES EN MQUINAS
ELCTRICAS Y CONVERTIDORES DE POTENCIA QUE NOS
ACOMPAAN CADA DA Y POR TODAS PARTES, SIN QUE
SEAMOS PARTICULARMENTE CONSCIENTES DE
ESO: AUTOMVIL, TREN, METRO, AUTOBS, AVIN, BARC
O, ASCENSOR, ELECTRODOMSTICO, TELEVISIN, DOMT
ICA, SISTEMAS DE ALIMENTACIN
ININTERRUMPIDA O SAI.
II. PROCEDIMIENTO
Los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) constituyen,
desde el punto de vista de su empleo, un hbrido entre los
transistores bipolares y los MOSFET para aprovechar tanto la
sencillez de ataque de los ltimos, como la capacidad para
conducir altas corrientes y baja resistencia en conduccin de los
primeros.
La estructura bsica, as como el circuito equivalente se muestra
en la siguiente figura:
FIGURA 1. Estructura y Circuito Equivalente del IGBT
La estructura recuerda mucho la de un transistor MOSFET de
potencia donde se utilizan obleas dopadas de Tipo N sobre las
que se deposita una fina capa epitaxial. El IGBT est construido
de forma casi idntica. La capa epitaxial presenta el mismo
espesor y se dopa igual que en un FET. Sin embargo, existe una
importante diferencia: el material de partida es una oblea
dopada Tipo P en lugar de Tipo N. La unin PN adicional, as
creada, inyecta portadores (huecos) en la regin epitaxial Tipo
N reduciendo su resistividad y rebajando la cada de tensin en
conduccin.
A este proceso se le conoce tambin por "Modulacin de la
Conductividad" y puede contribuir a incrementar la capacidad
de conduccin de corriente hasta 10 veces ms.
Por otro lado, la adicin de esta capa Tipo P, introduce un nuevo
transistor parsito que con el NPN inherente a la estructura de
un MOSFET, conforma un Tiristor parsito, el cul en caso de
ser activado puede destruir al IGBT.
Desde el punto de vista econmico, los IGBT, al utilizar el
principio de los FET tan slo para el circuito de ataque y no el
de potencia, dejando ste en manos de una estructura bipolar,
reducen sustancialmente los requerimientos en cuanto a
superficie de Silicio necesaria. Tenemos entonces que, para
tensiones superiores a los 400V, la superficie de un IGBT es
tpicamente un tercio de la del MOSFET comparable.
El techo de frecuencia se sita alrededor de los 75kHz, debido
a que la corriente principal se controla con un transistor bipolar.
En estos dispositivos sin embargo, se han conseguido tiempos
de conmutacin de 0,2 ms con muy bajas cadas de tensin, lo
que les hace muy tiles en conmutaciones rpidas.
La facilidad de control, similar a la de un MOSFET, unida a sus
prdidas relativamente bajas, les convierten en la eleccin
idnea para aplicaciones de control de motores conectados
directamente a la red (hasta 480 V). Para tensiones de 400 a
1200 V, los IGBT ofrecen ventajas sustanciales frente a los
transistores bipolares de potencia, por lo que estn sustituyendo
a stos en un amplio campo de aplicaciones.
Actualmente, con la aparicin de la 2 generacin de IGBTs, los
fabricantes ofrecen una amplia gama de estos dispositivos, y se
pueden elegir bien por su rapidez o bien por su cada de tensin
en conduccin; esto es muy interesante ya que permite
optimizar la utilizacin de stos dispositivos en funcin de las
distintas aplicaciones. Se encuentran ya dispositivos capaces de
soportar 1200 V y 400 A.
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A. DISEO DEL CIRCUITO
1. Coloque el Osciloscopio de Almacenamiento Digital en el banco de trabajo. Ponga los mdulos PE-5310-
1A, PE-5310-5E, PE-5310-2B en el Esquema
Experimental.
FIGURA 2. Modulo PE-5310-1A
FIGURA 3. Modulo PE-5310-5E
FIGURA 4. Modulo PE-5310-2B
2.- Complete las conexiones de acuerdo al diagrama de
conexiones de la Figura 4-6 usando enchufes Puente (lneas
cuervas) y cables de conexin. Conecte el suministro de 220V
Ac al mdulo de la Fuente de alimentacin DC y al mdulo de
Amplificador Diferencial enchufando en la toma de tres puntas.
FIGURA 5. Diagrama de Conexiones para la Medicin de las
Caractersticas del IGBT.
3.- La entrada CH1 del DSO est conectada para medir la
tensin de carga VL del IGBT por medio de Ch.A del
Amplificador Diferencial, mientras que la entrada CH2 est
conectada para medir la tensin C-E, VCE del IGBT por medio
de Ch.C del Amplificador Diferencial.
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FIGURA 6. Formas de Onda de la Medicin de las Caractersticas del
IGBT.
4.- En el Amplificador Diferencial, coloque el interruptor
Selector de Rango V (SWA, SWC) de Ch.A y Ch.C del DIF
en la posicin de 100V (la relacin Vi/Vo = 100/10 = 10) y
coloque los interruptores Selectores de CH (SW1, SW2) en A
y C, respectivamente.
FIGURA 7. Diagrama de Conexiones para la Medicin de las
Caractersticas del IGBT.
5.- Para ajustar el MOSFET / IGBT, enciende S1 (posicin
izquierda), S2 (posicin arriba) y S3 (posicin arriba) para
conectar las lmparas de carga E1 Y E2 en paralelo. Ponga la
perilla R1 en la posicin minutos. Esto establece la tensin de
la puerta VG de IGBT en cero.
FIGURA 8. Diagrama de Conexiones para la Medicin de las
Caractersticas del IGBT.
III. DESARROLLO
A. PRUEBAS DEL CIRCUITO
6.- Encienda. Mida y registre la tensin de carga VL y la tensin
C-E, VCE del IGBT como se muestra en la figura.
FIGURA 9. Medicin de la tensin de carga VL y VCE
7.- Lentamente gire la perilla R1 al mximo para aumentar la
tensin de compuerta VG hasta que el IGBT se encienda. La
medicin de la tensin de carga VL (CH1) y la tensin C-E,
VCE (CH2) se muestra en la figura.
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Utilizando el Medidor de RMS (no mostrado en diagrama de
conexiones), mida y registre la tensin de compuerta
VG = 5, 56 [V] (5,6 [V] aproximadamente). El VG medido es el voltaje del
umbral de la compuerta VT del IGBT.
FIGURA 10. Medicin de la tensin de carga VL y VCE
8.- Gire la perilla R1 hasta la posicin mxima (VG mximo).
Medida y registre la tensin de carga VL (CH1) y la tensin C-
E, VCE (CH2) se muestra en la figura.
FIGURA 11. Medicin de la tensin de carga VL y VCE
VG MAX = 15, 56 [V]
FIGURA 12. Medicin de la tensin de carga VL y VCE Mxima
8.- Gire la perilla R1 hasta la posicin mnima (VG mnimo).
Medida y registre la tensin de carga VL y la tensin C-E, VCE
del IGBT como se muestra en la figura.
FIGURA 13. Medicin de la tensin de carga VL y VCE
VG MIN = 5, 56 [V]
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FIGURA 14. Medicin de la tensin de carga VL y VCE Mnima
IV. CONCLUSIONES
Al realizar esta prctica pudimos tener una primera familiarizacin con los equipos de potencia lo cual nos
ayudara a tener en claro lo tratado en clase.
El objetivo de realizar prcticas es tener conocimiento en donde se aplican las ecuaciones y como se visualiza
las seales por medio del osciloscopio.
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo semiconductor que generalmente se
aplica como interruptor controlado en circuitos
de electrnica de potencia.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacin de hasta 100 kHz y ha sustituido
al BJT en muchas aplicaciones.
Es usado en aplicaciones de altas y medias energa como fuente conmutada, control de la traccin en
motores y cocina de induccin.
REFERENCIAS
[1] OLLE, Elgerd, Electric Energy Systems Theory: An Introduction, Editorial McGraw-Hill Inc., chap 7.
[2] GRAINGER, Jhon. STEVENSON, William, Anlisis de Sistemas Elctricos de Potencia, Editorial McGraw-Hill Inc., Mxico 1996.
BIOGRAFAS
Pablo Achig, naci en Quito-Ecuador el 14
de Noviembre de 1993. Realiz sus estudios
secundarios en el Colegio Tcnico Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de Ingeniera
Elctrica en la misma que est cursando el
7mo nivel de ingeniera.
Andres Artieda, naci en Quito-Ecuador el
20 de Mayo de 1992. Realiz sus estudios
secundarios en el Colegio Tcnico Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de Ingeniera
Elctrica en la misma que est cursando el
7mo nivel de ingeniera.
Jhonny Correa, naci en Quito-Ecuador el
12 de Diciembre de 1990. Realiz sus
estudios secundarios en el Colegio Tcnico
Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de
Ingeniera Elctrica en la misma que est
cursando el 7mo nivel de ingeniera.
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Ermel Santacruz, naci en Quito-Ecuador el
24 de Octubre de 19930. Realiz sus estudios
secundarios en el Colegio Tcnico Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de
Ingeniera Elctrica en la misma que est
cursando el 7mo nivel de ingeniera.
Vernica Vergara, naci en Quito-Ecuador
el 24 de Octubre de 19930. Realiz sus
estudios secundarios en el Colegio Tcnico
Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de
Ingeniera Elctrica en la misma que est
cursando el 7mo nivel de ingeniera.